船舶電力網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡一體化脆弱性評估

童正軍，呂 昊，葉志浩

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船舶電力網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡一體化脆弱性評估

童正軍1，呂 昊2，葉志浩3

（1. 海軍駐北京8359所軍事代表室，北京 100037；2. 海裝裝備項目管理中心，北京 100071；3. 海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

脆弱性評估是保證船舶電力信息網(wǎng)絡安全必不可少的手段，根據(jù)系統(tǒng)的脆弱性分析結果，可以及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的隱性故障，實現(xiàn)對其脆弱環(huán)節(jié)的辨識，達到提高船舶電力系統(tǒng)運行性能的目的。文中提出了船舶電力信息一體化網(wǎng)絡的模型，在對一體化網(wǎng)絡進行結構脆弱性分析的基礎上，分別考慮電氣和信息設備節(jié)點的可靠性，引入物理脆弱性的概念對節(jié)點結構脆弱性進行修正，得到綜合脆弱性的評估指標，最后，對船舶電力信息一體化網(wǎng)絡進行綜合脆弱性評估與優(yōu)化。

船舶 電力信息網(wǎng)絡 結構脆弱性 物理脆弱性 綜合脆弱性

0 引言

電力信息網(wǎng)絡脆弱性問題是近幾年信息技術在電力網(wǎng)絡運行中衍生出的一個新問題，電力網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡已逐漸融合成為高度集成的一體化網(wǎng)絡，但信息技術在為電力網(wǎng)絡運行提供便利的同時，也將其不良影響帶入到了電力網(wǎng)絡中。網(wǎng)絡脆弱性作為網(wǎng)絡可靠性的一種有效測度，反映了不同網(wǎng)絡單元失效后網(wǎng)絡性能下降的不同程度，指明網(wǎng)絡中的薄弱環(huán)節(jié)，為網(wǎng)絡規(guī)劃和管理提供數(shù)據(jù)支持。如果相關設計部門能夠對這些較脆弱的部分進行一些適當?shù)男拚瑢蟠筇岣唠娏W(wǎng)絡運行性能和效率。

對于船舶電力信息一體化網(wǎng)絡來說，除了拓撲結構的因素以外，電力設備處在船舶艙室這樣一個特殊環(huán)境內，它的可靠性因素給網(wǎng)絡脆弱性帶來的影響同樣是一個值得關注的問題。本文首先根據(jù)船舶電力網(wǎng)絡建立了相應的信息網(wǎng)絡，得到電力信息網(wǎng)絡一體化模型，結合復雜網(wǎng)絡理論得到一體化網(wǎng)絡的結構脆弱性，并進一步考慮電力網(wǎng)絡中電力設備的故障率和計檢率等可靠性因素以及信息網(wǎng)絡中的業(yè)務重要度、故障概率、時延等因素，得到綜合性的評估指標，最后，對一體化網(wǎng)絡的脆弱性進行評估和優(yōu)化。

1 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡模型

1.1 船舶電力網(wǎng)絡模型

根據(jù)實際環(huán)形船舶電網(wǎng)的結構示意圖，將發(fā)電機、配電板、負載等電網(wǎng)元件抽象為復雜網(wǎng)絡中的節(jié)點，將電網(wǎng)元件間的連接關系抽象為邊，建立船舶電力網(wǎng)絡的等效拓撲模型如圖1。其中，G表示發(fā)電機節(jié)點，S表示配電板節(jié)點，F(xiàn)表示饋線電纜節(jié)點，L表示負載節(jié)點。

圖1 某船舶電網(wǎng)拓撲結構示意圖

1.2 船舶信息網(wǎng)絡模型

圖2所示為某船舶信息網(wǎng)絡拓撲結構示意圖，M表示交換機，D1表示電能質量監(jiān)控節(jié)點，D2表示配電運行監(jiān)控節(jié)點，D3表示線路繼電保護控制節(jié)點，D4表示輸變電設備監(jiān)測節(jié)點，D5表示能量調度管理節(jié)點，D6表示在線模擬培訓節(jié)點，T為CAN總線主節(jié)點，Pi為負荷投切控制節(jié)點，Qi為運行狀態(tài)分析節(jié)點，Ri為功率測量節(jié)點。

1.3 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡模型

船舶電力信息一體化網(wǎng)絡如圖3所示，根據(jù)各模塊功能將船舶電力網(wǎng)絡節(jié)點與信息網(wǎng)絡節(jié)點對應連接。如配電運行監(jiān)控節(jié)點對應地與配電板節(jié)點連接；線路繼電保護系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的可靠保證，繼電保護信號是指高壓輸電線路繼電保護裝置間和電網(wǎng)安全自動裝置間傳遞的遠方信號，是電網(wǎng)安全運行所必需的信號，對應地將配電板節(jié)點與其連接；輸電設備監(jiān)測節(jié)點與發(fā)電機節(jié)點對應連接；功率測量系統(tǒng)用于計量電功率消耗，對應地將其與負載連接；根據(jù)不同功能，電力網(wǎng)絡節(jié)點與信息網(wǎng)絡節(jié)點之間對應用虛線連接。

圖2 船舶信息網(wǎng)絡拓撲結構示意圖

圖3 船舶電力信息網(wǎng)絡一體化模型結構示意圖

2 網(wǎng)絡脆弱性

2.1 結構脆弱性

對目標網(wǎng)絡結構脆弱性的評估是從網(wǎng)絡拓撲結構的角度出發(fā)，運用復雜網(wǎng)絡理論的方法進行分析，最終找到由電網(wǎng)固有拓撲結構所引起脆弱的節(jié)點。由于復雜網(wǎng)絡理論突出強調的就是網(wǎng)絡的結構拓撲特征，所以選取復雜網(wǎng)絡中的典型靜態(tài)幾何量來表征目標網(wǎng)絡的結構脆弱性，而度數(shù)和介數(shù)指標均可以從不同的角度很好地描述每個節(jié)點在網(wǎng)絡中的重要程度，故采用度數(shù)和介數(shù)指標表征網(wǎng)絡節(jié)點的結構脆弱性。

1）度數(shù)

實際上，無向無權圖鄰接矩陣的第行或第列元素之和也是度[1]。

2）介數(shù)

在實際的網(wǎng)絡空間里，每個節(jié)點在里面的作用不盡相同，有些節(jié)點如果受損對整個網(wǎng)絡空間正常工作影響較小，而有些節(jié)點如果損壞可能對整個網(wǎng)絡都會造成致命的影響甚至讓整個網(wǎng)絡癱瘓。前面介紹的節(jié)點的度是一個很重要的概念，用來描述節(jié)點的重要性。但是，有些節(jié)點的度可能很小，卻是其他兩個節(jié)點進行通信的重要媒介，缺少這個中間媒介將會導致整個網(wǎng)絡癱瘓，所以這個節(jié)點也是非常重要的。對于這樣的節(jié)點我們引用一個新的評價指標介數(shù)（betweenness）來描述節(jié)點對于整個網(wǎng)絡空間的重要性。在網(wǎng)絡空間中假設有兩個不相鄰的兩個節(jié)點它們分別是K、K。連接K、K的最短邊中需要經(jīng)過某些節(jié)點，如果有某個節(jié)點K，它是很多最短邊都要經(jīng)歷的節(jié)點的話，那么這個節(jié)點K對于整個網(wǎng)絡是很重要的節(jié)點，它的重要性可以用如下公式進行定義：

2.2 物理脆弱性

由于船舶電力節(jié)點和船舶信息節(jié)點物理性質不同，需要考慮的可靠性因素也不相同，故對電力節(jié)點的物理脆弱性和信息節(jié)點的物理脆弱性分別進行考慮。

2.2.1 船舶電力節(jié)點物理脆弱性

船舶電力節(jié)點物理脆弱性指標主要考慮該節(jié)點對應電力設備的故障率和計檢率可靠性指標等影響因素[2]。

1）故障率/失效率

故障率和失效率都用來表述系統(tǒng)和產品的性能穩(wěn)定性概念，它們本質上區(qū)別不大，故障率一般指系統(tǒng)或者產品在任意時刻沒有發(fā)生故障，在這個時刻之后發(fā)生故障的概率。如果發(fā)生的故障是不可修復的，那么就用失效概率來表示。故障率可以用下式來表示：

(3)

2）計檢率及計檢時間

計檢率定義為一臺電力設備每年計劃檢修（停運）的次數(shù)，計檢時間定義為一臺電力設備計劃停運時間與計劃停運次數(shù)的比值，即平均一次計劃停運的時間。

按照上述定義船舶電網(wǎng)主要元件的可靠性參數(shù)[3]如表1所示。

以上述各可靠性指標為基礎，定義船舶電力網(wǎng)絡節(jié)點物理脆弱性指標的計算公式如下：

(4)

其中C表示電力節(jié)點的物理脆弱性指標，它是一個將可靠性因素中的故障率和計檢率對脆弱性產生的影響進行量化的指標。表示故障率，r表示修復時間，表示計檢率，c表示計檢時間。

2.2.2 船舶信息節(jié)點物理脆弱性

信息節(jié)點的物理脆弱性評估是將信息節(jié)點中所運行業(yè)務的重要度、設備故障概率、延時等因素作為影響物理脆弱性的因素。

1）業(yè)務重要度

信息網(wǎng)絡中各節(jié)點承載著各類不同的業(yè)務，運行業(yè)務的差異會對船舶電力系統(tǒng)運行安全造成不同程度的影響。業(yè)務重要度定義為某業(yè)務存在缺陷（業(yè)務通道可靠性降低）或者該業(yè)務發(fā)生中斷時，它對電力網(wǎng)絡的穩(wěn)定安全運行的影響程度的大小，業(yè)務重要度越高則影響程度越大。

信息網(wǎng)中各類典型業(yè)務的重要度[4]如表2所示。

表1 船舶電網(wǎng)元件可靠性參數(shù)

表2 典型業(yè)務重要度值

2）設備故障概率

信息設備故障概率與設備類型、敷設方式、周邊環(huán)境等有關，其取值根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。

3）傳輸時延

在傳統(tǒng)的電力信息網(wǎng)絡中，由于信息網(wǎng)絡通常是用來傳送調度信息，對延時的要求較低，而有嚴格時間要求的繼電保護業(yè)務一般進行單獨傳輸，所以基本不考慮傳輸時延的因素。但是，隨著技術的發(fā)展與進步，部分國家已經(jīng)可以做到繼電保護的信號和其他調度業(yè)務的信號一起傳輸。傳輸時延已經(jīng)成為信息網(wǎng)絡中一個不可忽略的因素。

綜上所述，給出信息網(wǎng)絡節(jié)點物理脆弱性計算公式如下：

其中，S表示經(jīng)過該節(jié)點所運行的第類業(yè)務的重要度；P為節(jié)點發(fā)生故障的概率；為網(wǎng)元節(jié)點設備傳輸平均時延與固有時延之比。

2.3 綜合脆弱性

船舶電力網(wǎng)絡、船舶信息網(wǎng)絡所處的環(huán)境均與陸地電力網(wǎng)絡、陸地信息網(wǎng)絡有較大差異，因此，針對船舶電力網(wǎng)絡和信息網(wǎng)絡，考慮在陸地網(wǎng)絡中對結構進行脆弱性分析的基礎上引入物理脆弱性的修正因素，得到綜合脆弱性指標，對船舶電力和信息網(wǎng)絡進行分析。分別定義船舶電力節(jié)點綜合脆弱性V和船舶信息節(jié)點綜合脆弱性V如下：

3 算例分析及優(yōu)化

令=0.5，按照公式(6)和公式(7)計算船舶電力信息一體化網(wǎng)絡節(jié)點的綜合脆弱性指標，得到的結果如圖4所示。

圖4 船舶電力信息一體化網(wǎng)絡節(jié)點綜合脆弱性計算

圖4為船舶電力信息一體化網(wǎng)絡節(jié)點的綜合脆弱性排名，從圖中可以看出，電力節(jié)點中33-36號對應的配電板節(jié)點比29-32號對應的發(fā)電機節(jié)點脆弱，信息節(jié)點中1-6號對應的交換機節(jié)點比13-16號對應的總線主節(jié)點脆弱，其中，交換機節(jié)點比配電板節(jié)點更加脆弱。

至此，即實現(xiàn)了對船舶電力信息一體化網(wǎng)絡脆弱環(huán)節(jié)的辨識。在此基礎上，考慮對網(wǎng)絡的拓撲結構進行優(yōu)化。優(yōu)化方式主要從信息網(wǎng)絡著手考慮，具體實現(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 拓撲冗余網(wǎng)絡

圖6 優(yōu)化前后節(jié)點綜合脆弱性比較

在該優(yōu)化方式下，只需在環(huán)路交換機中指定主交換機，剩下的設置為客戶交換機，這個工作可以在網(wǎng)絡初始配置時完成。也就是說在船舶電力信息一體化網(wǎng)絡中，可以將1-2號交換機設置為主交換機，3-6號交換機設置為客交換機：將能量調度管理和在線模擬培訓的備用業(yè)務連接到3號交換機，將輸變電設備監(jiān)測備用業(yè)務連接到4號交換機，將線路繼電控制備用業(yè)務連接到5號交換機，將電能質量監(jiān)測和配電運行監(jiān)測的備用業(yè)務連接到6號交換機。按照這樣的方式得到優(yōu)化前后一體化網(wǎng)絡節(jié)點綜合脆弱性值如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，優(yōu)化后，交換機節(jié)點和配電板節(jié)點在一體化網(wǎng)絡中依然最脆弱，但與原網(wǎng)絡相比，不僅各交換機節(jié)點脆弱性降低，繼電保護管理節(jié)點以及配電板節(jié)點這幾個關鍵節(jié)點的綜合脆弱性值也在原來的基礎上有了一定程度的下降，除此之外，網(wǎng)絡中大部分節(jié)點的綜合脆弱性均降低，由此說明增加用戶到交換機的備用路徑可以使得網(wǎng)絡性能得到優(yōu)化。

4 結束語

本文建立了船舶電力信息一體化網(wǎng)絡模型，對一體化網(wǎng)絡各節(jié)點的結構脆弱性進行評估，考慮各節(jié)點的物理脆弱性對結構脆弱性的修正作用得到船舶電力信息一體化網(wǎng)絡的綜合脆弱性指標，根據(jù)一體化網(wǎng)絡綜合脆弱性的計算結果對一體化網(wǎng)絡中的脆弱環(huán)節(jié)進行辨識。進一步采用增加用戶到交換機的備用路徑的方式對網(wǎng)絡進行優(yōu)化，優(yōu)化后的綜合脆弱性評估結果為船舶電力信息網(wǎng)絡設計提供了參考依據(jù)，同時也驗證了本文提出的綜合脆弱性評估方法的有效性。

[1] 郭世澤, 陸哲明. 復雜網(wǎng)絡理論基礎[M]．北京: 科學出版社, 2012.

[2] 程五一, 王貴和, 呂建國. 系統(tǒng)可靠性理論[M]．北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3] 李紅江, 魯宗相, 王淼等．基于可靠性模型的船舶電網(wǎng)拓撲結構對比分析[J]. 電工技術學報, 2006, 21(11): 47-53.

[4] 蔣康明, 曾瑛, 鄧博仁等. 基于業(yè)務的電力通信網(wǎng)風險評價方法[J]．電力系統(tǒng)保護與控制, 2013, (24): 101-106.

Vulnerability Assessment of Shipboard Integrated Information & Power Network

Tong Zhengjun1, Wu Hao2, Ye Zhihao3

(1. Naval Representatives office in No.8359 Institute, Bejing 100037, China; 2.Marine Equipment Project Management Center, Bejing 100071, China; 3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM73

A

1003-4862（2018）12-0028-05

2018-09-20

童正軍(1982-)，男，工學碩士，工程師。研究方向：電機與電器。E-mail: fxxaim0224@163.com